影響水平井PDC鉆頭性能的因素分析

不同的鉆進方式對水平井PDC鉆頭的影響

　　當PDC鉆頭應用于水平井鉆井時，完美的井眼軌跡通常需要旋轉與滑動方式相結合的情況下獲取。PDC鉆頭進行滑動鉆井時，井中所用的鉆柱是固定不變的，同時馬達中的彎頭則對著鉆井設計所需的方位。當PDC鉆頭開始鉆進時，產生一種使井里鉆柱發生扭曲抗扭矩。井里鉆柱實際上是很長的扭轉纜索，因此，在PDC鉆頭的反扭矩的作用下會引起定向工具面方位的變化，使得工具面極不穩定。如果PDC鉆頭的反扭矩超過螺桿馬達的轉矩上限，螺桿馬達將會減速直至停止工作。此時，PDC鉆頭將會離開井底，工具面的變化極其敏感，整個過程必須重復進行定向。這不僅降低了螺桿馬達的使用壽命，造成不必要的多次起下鉆，同時也使定向施工制變得特別困難和費時。如果設計一種個性化的PDC鉆頭可以比其它PDC鉆頭在實際使用過程中，使用更小的鉆壓，且可以在該鉆壓下有效鉆入地層，那么這種個性化的PDC鉆頭將更適應于現場水平井鉆井作業。因此，有必要設計出針對水平井鉆井的個性化PDC鉆頭，可以對PDC鉆頭的冠部輪廓以及切削齒的后傾角和巖石相互之間的作用進行對比分析，研究出一種適合的設計方法。

　　振動對水平井PDC鉆頭的影響

　　鉆井過程中鉆頭的振動有三種表現形式：回旋振動、軸向振動和扭轉振動，其中對于水平井中PDC鉆頭的性能影響因素最大的分別是扭轉振動和回旋振動。鉆進過程中的振動會導致PDC鉆頭的性能不能達到最佳效果，具體表現為效率不佳及穩定性比較差，而這種穩定性能不佳的PDC鉆頭在鉆進的過程中會對井壁穩定性產生嚴重的影響。在這種振動的情況下，會使得PDC鉆頭上的扭矩變化很大，當滑動鉆進時，從而使工具面控制變得極為困難。因此，必須加強鉆頭的穩定性，減小振動影響，提高鉆頭工作效率。

　　1 回旋振動

　　回旋主要指PDC鉆頭在鉆井時候的瞬時旋轉中心不再是鉆頭幾何中心，而是鉆頭保徑。當PDC鉆頭鉆進過程中產生回旋時，PDC鉆頭原始設計的幾何中心使PDC鉆頭的旋轉中心失效，于是，在這種情況下PDC鉆頭的幾何結構、切削齒的布局就變得不再合理。因為，PDC鉆頭的瞬時旋轉中心不斷變化，所以鉆頭上切削齒的工作狀態被鉆頭的回旋運動所改變了，一般情況下，鉆頭切削齒的運動狀態有三種情況：正向運動、側向運動以及反向運動；在以上這三種運動狀況下，PDC鉆頭的每個切削齒上都承受著巨大的沖擊載荷。只有當PDC鉆頭發生正向回旋運動時，這時候由于PDC鉆頭瞬時旋轉中心距原井眼中心比較近，多數PDC切削齒的運動狀態和受力狀態屬于正常，危害相對比較小。影響PDC鉆頭產生回旋運動的主要因素有以下三種：

　　（1）PDC鉆頭本身結構的缺陷，這種缺陷促使鉆頭產生橫向運動，這種因素都能增加鉆頭回旋的側向力。PDC鉆頭鉆井時候切削的不平衡力愈大，它的外錐愈長，保徑部位越加粗糙，則會很容易的發生回旋。

　　（2）巖石的性質，由于在軟地層中鉆進速度本身相對較快，從而會沒有足夠的時間使得井徑擴大，因此，PDC鉆頭不容易發生回旋。與此相反，由于一些原因，比如說鉆遇較硬的地層，鉆頭的機械鉆速就變得較慢。在這種情況下鉆頭就容易產生回旋。

　　（3）實際操作中操作參數的影響，鉆井時候的轉速越高，離心力就會越大，PDC鉆頭也越加易發生回旋或連續回旋。因為在這種情況下相對不平衡力增大，使PDC鉆頭在鉆壓越小情況下越易產生回旋。

　　2 扭轉振動

　　PDC鉆頭在鉆進的過程中會發生扭轉振動，在這種情況下會發生卡滑現象，造成PDC鉆頭轉速時快時慢，甚至停止鉆動，或反向旋轉，導致在PDC鉆頭水平井中工具面根本無法按照設計控制，定向也就無法進行下去。而且由于PDC鉆頭切削齒承受巨大的沖擊載荷，這容易使得切削齒磨損速度加速，甚至會導致金剛石復合片的脫落。尤其是在PDC鉆頭發生反向旋轉時更容易造成PDC的金剛石復合片的碎裂或失效導致脫落。當PDC鉆頭或井中鉆具在鉆進過程中產生扭轉振動時，很容易導致鉆具疲勞從而損壞，導致鉆具落井。

　　經過試驗研究證明，PDC鉆頭在切削齒遍布密度大、鉆頭磨鈍程度較大、地層可鉆性差、泥餅摩擦系數較大、遇水易膨脹，破碎的地層、高鉆壓低轉速之類情況下，PDC鉆頭容易產生扭轉振動現象。PDC鉆頭切削齒遍布密度大，要想取得相同速度的機械鉆速，就必須加大鉆壓。這樣就增大了鉆頭與切削齒及切削齒和巖石之間的相互摩擦力，摩擦力的增大使得扭轉振動發生；遇水易膨脹，破碎的地層或泥餅摩擦系數大，也會加大其與井壁之間的相互摩擦力，所以容易引起扭轉振動。PDC鉆頭的固有特征是隨著機械鉆速的增大扭矩會變小，如果PDC鉆頭已經變鈍，這種現象會更加的明顯。在鉆遇較硬的地層的時候，PDC鉆頭的巖層破碎方式為剪切，這時候井底的巖屑會隨著鉆井液排出迅速井底；而如果PDC鉆頭已經磨鈍它的破碎方式為擠壓破巖，這時候的巖屑就不易清除，造成扭矩增大。若巖屑清除的速度加快，扭矩就會變小。這就是說，引起扭知隨轉速增大而減小的根本原因是井底巖屑清除的不及時。說明磨鈍了的PDC鉆頭在低轉速條件下容易造成扭轉振動。

　　綜上所述，如果要想提高PDC鉆頭在水平井中的鉆進效果，以及鉆井效率，就必須要減小PDC鉆頭本身的回旋和扭轉因素。

　　3.切削齒工作角度對水平井鉆頭性能的影響

　　PDC鉆頭的破巖效率和工作性能與PDC鉆頭切削齒的工作角度（即切削齒在工作狀態下的實際切削角度）存在密切關系，對PDC鉆頭性能分析具有重要的意義。切削齒的工作角度具體地指后傾角和側傾角，他們兩個是與切削狀態密切相關的切削角度。

　　由于工作角度的不同，PDC鉆頭的切削齒與巖石作用過程中，即使是相同的鉆頭在不同的工作環境中也會表現出很大的性能差距，尤其是在水平井鉆井過程中，切削齒與巖石作用還存在接觸壓力，通過減少PDC鉆頭吃入量來增強工具面控制。這種觀點是，如果能避免因馬達停止工作或工具面重新設置所耽誤的時間，則損失的是瞬時鉆速，而純鉆速將會增加。

　　對于造斜率以及井眼的質量，通常認為是，為了加快造斜速度，必須增加切削齒的侵入性特征，一般是減少切削齒的保徑長度，用以提高這種側向切削的能力。但是，導向渦輪大量的前期經驗證明了，長保徑的鉆頭，則至少能以8度/100英尺的造斜率進行造斜，于是為了解決這種矛盾的存在，必須進行細致研究保徑長度、側切削侵入性及鉆頭的導向性能之間的匹配關系。

　　結論

　　鉆速的提高是衡量PDC鉆頭的一個非常關鍵的指標，具體表現為在一定的時間內鉆進的速度，包括調整工具面所用的時間，以及在井底馬達失效后更換以及調整到穩定的定向工具面所需要的時間，綜合上述因素，以及可導向井底馬達組合的性能特征，“水平井PDC鉆頭”應該具有下列特點：（1）盡管鉆壓顯示值有誤差，但必須使工具面的波動最小；（2）在特定的鉆具組合情況下，保持合理的狗腿度（DLS）；（3）選擇一個優良的井眼，可以在滑動和旋轉方式中相互轉換。